JP2017094241A - 分級装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素かつ小型の構成にて分級精度を高めることができ、また、分級点の調整を容易に行える分級装置を提供すること。【解決手段】本装置は、回転可能な分級ロータ2の下方であってケーシング1の外周部に配置され、原料粉体11の一部を上方に吹き上げるエアを供給するエア導入部21を備える。エア導入部21は、その内周部に、エアをケーシング1内へ流入させるエア流入口23を有する。エア流入口23の内周側に、二次エアの流路断面積を狭くする絞り機構25を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、原料粉体を微粉と粗粉とに分級するための分級装置に係り、特に、分級ロータの回転による旋回流を利用して分級を行い、所定の粒径範囲の製品を得るための分級装置に関する。

近年普及が進んでいる複写機やプリンタ等で使用されるトナーは、（微）粉砕機により粉砕されて様々な粒子径を含む数μmオーダーの粉体から、分級装置により所定の粒子径以下の粉体を分級して製造される。このため、所定の粒子径より微細な微粉を高精度に排除するように分級することが要求されている。

このような粉体の分級装置として、従来、分級ロータの回転による旋回流を利用して微粉と粗粉とを分級する気流回転式分級装置が多く使用されており、その分級原理について簡単に説明すると、次のとおりである。

分級空間内で、外方から内方に向かう気流に粉体を乗せ、更に、内方を中心とし、気流の方向に垂直な軸の回転方向に気流を旋回させると、個々の粉体には旋回により外方への遠心力と気流による内方への向心力が作用し、粒子径の大きな粉体ほど遠心力が大きくなるため、粒子径の大きな粉体は外周側に集まり、粒子径の小さな粉体は内周側に集まる傾向となる。

そこで、気流を外周部と中心部の両方で排出すると、外周部から排出された気流には粒子径の大きな粉体（粗粉）が多く含まれ、中心部から排出された気流には粒子径の小さな粉体（微粉）が多く含まれる。これより、様々な大きさの粉体が混在している原料粉体を、粗粉と微粉とに分級する。

このような気流回転式分級装置については、例えば特許文献１乃至４に記載されている。

特開２０１０−２５３３９４号公報 特開平７−２３６８６１号公報 特開２００６−３５０３１号公報 実用新案登録第３０１５４５８号公報

しかしながら、気流回転式分級装置は、前記の原理から、分級空間内部において粉体は、内周側から外周側に向かって粒径の大きな粉体の割合が徐々に高くなるため、外周部から排出した気流に含まれる粉体と、内周部から排出した気流に含まれる粉体とを、所定の大きさの粒径で完全に分離することは困難である。

このため、例えば、トナーのような高品質の粉体を製造するに際して、気流回転式分級装置により、微細な微粉を高精度に排除することや分級点の調整が困難であった。

本発明は、従来技術の前記問題点に鑑みなされたものであって、簡素かつ小型の構成にて分級精度を高めることができ、また、分級点の調整を容易に行うことができる分級装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、原料粉体を微粉粒子と粗粉粒子とに分級するための分級装置であって、ケーシングと、前記ケーシングの内部に設けられた回転可能な分級ロータと、前記分級ロータの下方であって前記ケーシングの外周部に配置され、前記原料粉体の一部を上方に吹き上げるエアを供給するためのエア導入部と、を備え、前記エア導入部は、その内周部に、前記エアを前記ケーシング内へ流入させるためのエア流入口を有し、前記エア流入口の内周側に、前記エアの流路断面積を狭くする絞り機構を有する。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記絞り機構は、前記エア流入口の内周側の上部に環状体を設け、前記エアが、前記エア流入口の前記環状体の下方より前記絞り機構を通過して前記分級ロータに流入するように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記環状体が、略円筒形状を成している、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記環状体が、その内周側に、下方に向って細くなる逆円錐面を有する、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記環状体の前記逆円錐面の傾斜角度が、前記ケーシングの前記エア導入部よりも上方の部分の前記ケーシングの内周面の傾斜角度と略同一である、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第２乃至第５のいずれかの態様において、前記環状体が、前記エア導入部に着脱可能に装着されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、簡素かつ小型の構成にて分級精度を高めることができ、また、分級点の調整を容易に行うことができる気流回転式分級装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による分級装置を模式的に示した縦断面図。 図１に示した分級装置において使用される各種の環状体の形状を示した縦断面図。 分級処理後の粉体における５μm以下の粒子の分布を示した図。 分級処理後の粉体における５０％粒子径（d50）と３μm以下の粒子の個数との関係を示した図。 分級処理後の粉体における４μm以下の粒子と３μm以下の粒子の割合の関係を示した図。 分級処理後の粉体における４μm以下の粒子と２．５μm以下の粒子の割合の関係を示した図。 分級処理後の粉体における４μm以下の粒子と収率の関係を示した図。 本発明の他の実施形態による分級装置を模式的に示した縦断面図。

以下、本発明の一実施形態による分級装置について、図１乃至４を参照して説明する。

本実施形態による分級装置は、筒状のケーシング１を備えており、ケーシング１の内部に、分級空間９（９ａ、９ｂ）を形成する回転可能な分級ロータ２が設けられている。

分級ロータ２は、ケーシング１の中心部に設けられ、鉛直方向に延びる回転軸３により回転される。回転軸３は、電動モータ（図示省略）により、歯車機構またはプーリ機構その他の動力伝達機構（図示省略）を介して回転駆動される。

分級ロータ２は、その内周部には円環状に形成された分級空間９が設けられ、その外周部には複数のブレード８が等間隔に設けられている。分級ロータ２を回転させると、分級空間９の内部の空気が旋回し、旋回流が発生する。

ケーシング１の上部には、ケーシング１内に原料粉体１１を供給するための原料粉体供給口６が設けられており、原料粉体１１は、原料粉体供給口６に接続された原料粉体供給配管７から搬送空気によりケーシング１内に投入される。

分級ロータ２の側方のケーシング１の外周部には、全周にわたり、分級ロータ２に向けて一次エアを供給する一次エア導入部４が設けられている。一次エア導入部４は、ケーシング１内に一次エアを導入するための一次エア取入口１７を備えている。一次エア導入部４の内周領域には、複数の案内羽根５が配置されている。案内羽根５は、分級ロータ２の回転により生じる旋回流により、一次エア導入部４からケーシング１の内部へ空気が円滑に流れ込むような向きに配置されている。

一次エア導入部４が、ケーシング１の外周部の全周にわたり形成されているため、原料粉体供給口６から投入された原料粉体１１は、一次エアおよび分級ロータ２の回転により発生する旋回流により、分級ロータ２の外周部において、ほぼ均一化または分散化されて分級空間９内に流入することができる。

分級空間９内に流入された原料粉体１１は、分級空間９内において、旋回流により旋回し、粗粉粒子は遠心力により外周側に集まり、微粉粒子は内周側に集まる。すなわち、分級空間９の半径方向の原料粉体１１の粒子径の濃度分布は、中心に向かい微粉の濃度が高く、外周部に向かい粗粉の濃度が高くなる。

分級ロータ２の中心部には、微粉を含む気流を外部へ排出するための気流排出機構（図示省略）が設けられており、分級空間９の内周側に移動した所定の粒子径より小さな微粉は、気流排出機構を経由して、気流排出機構に接続された微粉回収配管１０により外部へ回収される。遠心力により外周側に移動した粗粉及び微粉の凝集体は、分級ロータ２の外周部から外方へ放出され、下方に落下する。

なお、本実施形態においては、分級精度を向上させるため、分級ロータ２は、上下２段に設けられており、上段の分級空間９ａを有する上段の分級ロータ２aから外方へ放出された粗粉および微粉の凝集体、および原料粉体供給口６から投入されたが上段の分級ロータ２内へ流入せずに落下した原料粉体１１は、落下途中で、下段の分級ロータ２bに（再）流入する。

下段の分級ロータ２b、すなわち下段の分級空間９bに流入した原料粉体１１は、上段の分級ロータ２aと同様な作用により、微粉と粗粉が分級され、微粉は、分級ロータ２bの中心部に備えられた気流排出機構（図示省略）を経由して、気流排出機構に接続された微粉回収配管により外部へ回収され、遠心力により外方に移動した所定の粒子径より大きな原料粉体１１は、分級ロータ２bの外周部から外方へ放出され、ケーシング１の下方に落下する。

なお、上記のとおり本実施形態による分級装置においては、分級ロータ２を上下二段に設けているが、分級ロータの構成は上下二段のものに限られず、一段の構成とすることもできる。

ケーシング１の一次エア導入部４の下方には、二次エア取入口２２を有する二次エア導入部２１が備えられている。この二次エア導入部２１は、本発明におけるエア導入部に対応する。また、二次エア導入部２１は、その内周部に、二次エアをケーシング１内へ流入させるための二次エア流入口２３を備え、二次エア流入口２３には円周上に等間隔に配置された複数の案内羽根２４を備えている。案内羽根２４は、ケーシング１内に流入した二次エアが旋回流を形成するように、水平断面で半径方向に傾斜をもたせてある。

二次エア流入口２３からケーシング１内に流入した二次エアは、原料粉体供給口６から投入された原料粉体１１であって分級ロータ２におけるブレード８に到達することなく落下してきたもの、および分級ロータ２により分級されてその外周部から放出されて落下してきたもの（粗粉および凝集体）を、ケーシング１内を旋回させつつ上昇させる。このように二次エアに乗って上昇する際に凝集体がほぐされて、粗粉と共に再び分級ロータ２に流入し、再び分級作用を受ける。二次エアに乗り上昇しない粗粉および凝集体は、場合によってはさらにほぐされた後、製品側に排出される。

なお、案内羽根２４の傾斜方向は、分級ロータ２のブレード８により発生する一次エアの旋回流方向と同一方向の旋回流を発生させる方向としている。これにより、二次エアにより上方へ押し戻された原料粉体１１等が、旋回上昇する二次エアに随伴して円滑に分級ロータ２内に流入することができる。

本実施形態による分級装置においては、二次エア流入口２３の案内羽根２４の内周側に、二次エアの流路断面積を狭くする絞り機構２５が設けられている。絞り機構２５は、環状体２６を二次エア流入口２３の内周側の上部に設け、二次エアが、二次エア流入口２３の環状体２６の下方より絞り機構２５を通過して分級ロータ２内に流入するように構成されている。

このように絞り機構２５を設けて、二次エア流入口２３における二次エアの流路断面積を狭くすることにより、二次エア流入口２３からの流入エア流速が増すため、旋回流速が増し、ひいては原料粉体１１等の吹き上げ効果が向上する。

また、絞り機構２５は、その下部を内周側に張り出して、二次エア流入口２３から流入した二次エアの上昇に対する流路断面積を狭くし、二次エアの上昇流についても流路の絞り効果による流速の増大を図ることが好ましい（図１参照）。これにより、落下する原料粉体１１等に対する吹き上げ効果を向上させることができる。

この場合、絞り機構２５は、図１に示すように、さらに外周部上端部から内周側を傾斜させた逆円錐台形状の内周面を形成させることが好ましい。これにより、ケーシング１内を落下してきた原料粉体１１が、絞り機構２５の上面や内周面に堆積することなく、滑り落ちることができ、滑り落ちてきた原料粉体１１を、上昇する２次エアにより吹き上げることができる。

絞り機構２５の内周面である逆円錐面の傾斜は、２次エアの上昇および原料粉体１１の落下への影響を極力少なくすることも考慮して、絞り機構２５の上方のケーシング１の内面の傾斜と略同一とすることが好ましい。

なお、絞り機構２５を設けることにより、微粉の除去性能が向上すると、回収された粗粉粉体に含まれる微粉の割合が減少することになるため、結果として、製品としての粗粉粉体の分級点が上昇することになる。例えば、分級点を５０％粒子径d５０で評価すると、微粉が減少することにより、積算粒度分布において粒子径が小さいものから積算して５０％の割合に対応する粒子径が粗粉側にシフトすることになるからである。ここで、５０％粒子径d50とは、粉体の粒度分布において、積算体積割合が５０％となる粒子径をいう。

なお、微粉の除去性能の高い絞り機構２５の場合には、必要以上に分級点を高めてしまうおそれがある。この点に関して、本実施形態によれば、対象とする粉体製品との関係において、微粉の除去率の許容範囲において、所定の分級点に対応した絞り機構２５を選定して使用することにより、分級点を調整することができる。

すなわち、本実施形態においては、絞り機構２５を構成する環状体２６を着脱可能な構造とし、所定の分級点に対応した環状体２６を適宜交換して使用する構成としている。

従来の分級点の調整手段としては、二次エア流入口２３の案内羽根２４のギャップの調整によって行われることがあったが、そのギャップ調整は０．１mm単位の精密作業であったため、全案内羽根２４の間のギャップを正確に設定する作業は、高度の熟練や多大な労力が必要となるなどの問題があった（例えば、特許文献４参照）。

これに対して、本実施形態においては、所定の分級点に対応した環状体２６を適宜交換して使用することにより、分級点の調整が可能であるため、分級点の調整の熟練等が必要ではなく、分級点の調整を非常に簡素に行うことが可能となっている。

環状体２６の二次エア導入部２１への取付けは、図１に示すように、環状体２６の上部外周部に外方へ張り出した鍔状突起２７を、二次エア導入部２１に形成した凹部２８に嵌め込むことにより行う。

＜各種実施例＞
絞り機構２５による分級精度等の効果を確認するための、絞り機構２５として、形状等が相違する４種類の環状体２６を用いた実施例による試験の結果を以下に説明する。

（１）使用した分級装置：アーステクニカ製微粉分級装置EFS10型
［二次エア流入口２３の仕様］
高さ：約１３０mm
内周面の直径：約４３０mm

（２）試験条件
原料粉体：５０％粒子径d５０：約６．７μm
風量：二次エア流量１８Nm^３/min（全風量 約２１Nm^３/min）

（３）環状体２６の実施例
(i)実施例１（タイプax）
環状体２６の実施例１は、図２（１）に示すように、高さ５５mmの略円筒形をしている。以下、実施例１の環状体２６をタイプaxと呼ぶ。

環状体２６の上部外周部には、二次エア導入部２１の凹部２８に嵌合させるための鍔状突起２７が形成されている（他の実施例における環状体も同様である）。

実施例１では、環状体２６の下部（底部）に、内周側への張り出しが設けられていないが、二次エア流入口２３において、ケーシング１内へ流入する二次エアの流路を絞り込むことによる流速の増大による原料粉体１１の吹き上げ効果が期待できる。

なお、実施例１においては、二次エア流入口２３が、環状体２６を設ける前の流路断面積の約５８％に絞り込まれる。

(ii)実施例２（タイプay）
環状体２６の実施例２は、図２（２）に示すように、外形は実施例１と同様に略円筒形をしているが、高さが８０mmと高くなっている。以下、実施例２の環状体２６をタイプayと呼ぶ。

実施例２においては、二次エア流入口２３が、環状体２６を設ける前の流路断面積の約３８％と、大きな絞り込みとなっており、実施例１と比較することにより、内周側への流入空気流路の絞り込みの効果を確認するものである。

(iii)実施例３（タイプbx）
環状体２６の実施例３は、図２（３）に示すように、高さが５５mm（タイプaxと同じ）であり、内周面が傾斜を有する逆円錐面とし、かつ下部（底部）に張り出しをもたせた形状をなしている。なお、逆円錐面の傾斜角度は、絞り機構２５の上方のケーシング１の内面の傾斜とほぼ同一とし、約３８度としている。以下、実施例３の環状体２６をタイプbxと呼ぶ。

実施例１と比較することにより、二次エア上昇流に対する絞り込みの効果が確認できる。

実施例３においては、実施例１と同様に、二次エア流入口２３が約５８％に絞り込まれる。また、上昇流については、直径で、４３０mmから３４０mm（約７９％）に絞り込まれる（面積では、約６３％の絞り込み）。

(iv)実施例４（タイプby）
環状体２６の実施例４は、図２（４）に示すように、高さが８０mm（タイプayと同じ）であり、内周面が傾斜を有する逆円錐面とし、かつ下部（底部）に張り出しをもたせた形状をなしている。なお、逆円錐面の傾斜角度は、絞り機構２５の上方のケーシング１の内面の傾斜とほぼ同一とし、約３８度としている。以下、実施例４の環状体２６をタイプbyと呼ぶ。

実施例４においては、実施例２と同様に、二次エア流入口２３が約３８％に絞り込まれる。また、上昇流については、直径で、４３０mmから３００mm（約７０％）に絞り込まれている（面積では、約４９％の絞り込み）。

（４）試験による効果確認
前記４つのタイプの環状体２６を用いた実施例に、比較例として環状体２６を設けない場合を含めた５つのケースについて実施した分級性能等の確認試験の結果を以下に説明する。

(i)５μm以下の粒子の分布
図３は、分級されて回収された粗粉粉体中に含まれる粒子径５μm以下の微粉の個数分布（積算）を示した図である。

図３より、環状体なし（比較例）に比べて、いずれの実施例においても、微粉の割合が減少しており、分級精度が向上し、絞り機構が有効であることがわかる。

実施例における微粉の割合の減少は、粒子径が小さい領域において特に顕著となっており、３．５μm以下の微粉については、bxとbyが優れていることがわかる（割合がほぼ一致）。なお、略円筒形状の環状体であるaxとayは、ほぼ重なっており、差が見られない。このことから、二次エア流入口２３から内周側への絞り込みでなく、上昇気流への絞り込みが、特に、粒子が微細になるほど分級精度の向上に効果があることがわかる。

なお、図３から分かるように、環状体２６のタイプにより、分級されて回収された粗粉粉体中に含まれる微粉の割合が異なり、その割合に応じて、例えばd５０が粒子径の大きい方向にシフトする。このことは、前記のとおり、本実施形態において、タイプの異なる環状体２６を適宜交換することにより、分級点を調整することができることを示している。

(ii)５０％粒子径（d50）と３μm以下の粒子の個数との関係
図４は、分級された粗粉における５０％粒子径（d50）に対する３μm以下の微粉の個数割合を示した図であり、３μm以下の微粉の割合が少ないほど、３μm以下の微粉が排除されていることになり、分級精度が高いということができる。

図４から分かるように、環状体なし（比較例）に比べて、上記の通り絞り機構２５を設けることにより、３μm以下の微粉割合が顕著に減少、すなわち分級精度が向上しており、特にby、bxにおいて分級精度が優れていることがわかる。

(iii)４μm以下の粒子と３μm以下の粒子の割合の関係
図５は、分級された粗粉粉体中に含まれる４μm以下の粒子と３μm以下の粒子の割合の関係を示した図であり、３μm以下の粒子径の粒子の割合が少ないほど、分級精度が高いということができる。

図５においても、比較例（環状体なし）に比べて、上記の通り環状体２６すなわち絞り機構２５を設けることにより、顕著に分級精度が向上しており、特にby、bxにおいて分級精度が優れていることがわかる。

(iv)４μm以下の粒子と２．５μm以下の粒子の割合の関係
図６は、分級された粗粉粉体中に含まれる４μm以下の粒子と、特に微小な微粉である２．５μm以下の粒子の割合の関係を示した図であり、２．５μm以下の粒子径の粒子の割合が少ないほど、微小微粉における分級精度が高いということができる。

図６から分かるように、環状体なし（比較例）に比べて、上記の通り環状体２６を設けることにより、顕著に分級精度が向上しており、特にby、bxにおいて分級精度が優れていることがわかる。

(v)４μm以下の粒子と収率の関係
図７は、分級された粗粉粉体中に含まれる４μm以下の粒子の個数割合と、収率との関係を示した図である。

図７から分かるように、環状体なし（比較例）に比べて、実施例ではいずれも収率が顕著に向上していることがわかる。

以上の試験データより、分級精度、収率とも、二次エア流入口２３に環状体２６すなわち絞り機構２５を設けることにより、顕著に向上することが示されている。また、環状体２６のタイプとして、分級精度、収率とも、by、bxが優れていることから、二次エア流入口２３から内周側への流路のみならず、上昇流に対する流路についても絞りの効果があることがわかる。

以上述べたように、本実施形態によれば、次の効果が実現できる。
(i)二次エア流入口に絞り機構を設けることにより、簡素かつ小型の構成にて分級精度を高めることができる。
(ii)分級点に対応した絞り機構を適宜交換して使用することにより、分級点の調整を容易に行うことができる。

次に、本発明の他の実施形態について、図８を参照して説明する。なお、上述した実施形態と共通する部分については、同一の符号を付すと共に以下では説明を省略する。

本実施形態による分級装置は、図８に示したように、上述した実施形態の構成（図１）から、ケーシング１の外周部に設けていた一次エア導入部４を削除したものである。

本実施形態のように一次エア導入部を備えていない分級装置においても、分級装置の下流にある排風機の吸い込みにより排出方向へ向かう力（向心力）が働いているので、この向心力によって原料粉体が分級空間９内に流入する。

そして、一次エア導入部を備えていない本実施形態の分級装置においても、絞り機構２５による上述の優れた効果を奏することができる。

１ ケーシング
２ 分級ロータ
２a 上段の分級ロータ
２b 下段の分級ロータ
３ 回転軸
４ 一次エア導入部
５ 案内羽根
６ 原料粉体供給口
７ 原料粉体供給配管
８ ブレード
９ 分級空間
９a 上段の分級空間
９b 下段の分級空間
１０ 微粉回収配管
１１ 原料粉体
１７ 一次エア取入口
２１ 二次エア導入部
２２ 二次エア取入口
２３ 二次エア流入口
２４ 案内羽根
２５ 絞り機構
２６ 環状体
２７ 鍔状突起
２８ 凹部

Claims (6)

1. 原料粉体を微粉粒子と粗粉粒子とに分級するための分級装置であって、
   ケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられた回転可能な分級ロータと、
   前記分級ロータの下方であって前記ケーシングの外周部に配置され、前記原料粉体の一部を上方に吹き上げるエアを供給するためのエア導入部と、を備え、
   前記エア導入部は、その内周部に、前記エアを前記ケーシング内へ流入させるためのエア流入口を有し、
   前記エア流入口の内周側に、前記エアの流路断面積を狭くする絞り機構を有する、分級装置。
2. 前記絞り機構は、前記エア流入口の内周側の上部に環状体を設け、前記エアが、前記エア流入口の前記環状体の下方より前記絞り機構を通過して前記分級ロータに流入するように構成されている、請求項１記載の分級装置。
3. 前記環状体が、略円筒形状を成している、請求項２に記載の分級装置。
4. 前記環状体が、その内周側に、下方に向って細くなる逆円錐面を有する、請求項２に記載の分級装置。
5. 前記環状体の前記逆円錐面の傾斜角度が、前記ケーシングの前記エア導入部よりも上方の部分の前記ケーシングの内周面の傾斜角度と略同一である、請求項４記載の分級装置。
6. 前記環状体が、前記エア導入部に着脱可能に装着されている、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の分級装置。

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